L'échelle HLB : guide du formulateur pour la sélection des émulsifiants

Qu'est-ce que le HLB ?

Le HLB est une échelle relative de 0 (entièrement lipophile) à 20 (entièrement hydrophile). Les tensioactifs non ioniques à longues chaînes d'oxyde d'éthylène se situent à l'extrémité haute ; les monoesters de sorbitan avec peu ou pas d'OE se situent à l'extrémité basse. Le chiffre représente l'équilibre entre les portions hydrophiles et lipophiles de la molécule et est corrélé au type d'émulsion qu'un tensioactif favorisera.

La méthode originale de Griffin calcule le HLB des non ioniques éthoxylés à partir des rapports de masse moléculaire. En pratique, les formulateurs utilisent des valeurs HLB publiées pour les grades commerciaux et mélangent deux émulsifiants ou plus pour atteindre un HLB système cible.

HLB requis : faire correspondre les émulsifiants à la phase huileuse

Chaque huile, cire ou actif lipophile possède un HLB requis — le HLB système auquel elle est le plus facilement émulsifiée en système H/E. Lorsque le HLB système de l'émulsifiant correspond au HLB requis de la phase huileuse, les émulsions se forment plus facilement et tendent à être plus stables. Le HLB requis est déterminé expérimentalement et publié dans les manuels de formulation ; les valeurs ci-dessous sont des guides représentatifs.

Calcul du HLB de mélange

Lors du mélange de deux émulsifiants ou plus, le HLB système est la moyenne pondérée :

HLB système = (fraction A × HLB A) + (fraction B × HLB B) + …

Exemple : 70 % de Polysorbate 60 (HLB 14,9) + 30 % de Stéarate de sorbitan (HLB 4,7) donne 0,7 × 14,9 + 0,3 × 4,7 = 10,4 + 1,4 = 11,8. Cela est proche du HLB requis de l'huile minérale (10–11) et convient à une crème H/E contenant de l'huile minérale dans la phase huileuse.

Exemple détaillé 1 : crème pour les mains H/E

Objectif de formule : 15 % de phase huileuse (alcool cétylique + huile minérale), émulsion H/E, stable au stockage à 40 °C.

Étape 1 : Calculez le HLB requis pondéré de la phase huileuse. Huile minérale (HLB requis ~10,5) à 10 % plus alcool cétylique (HLB requis ~15) à 5 % donne un HLB requis pondéré ≈ 11.

Étape 2 : Mélangez les émulsifiants pour un HLB système de 11 — p. ex. 70 % de Polysorbate 60 (HLB 14,9) + 30 % de Stéarate de sorbitan (HLB 4,7) → HLB système calculé ≈ 11,8.

Étape 3 : Utilisez 4–5 % d'émulsifiant total sur le poids de la formule. Chauffez les phases huileuse et aqueuse séparément à 75 °C, combinez avec homogénéisation et refroidissez en remuant doucement.

Étape 4 : Ajustez la viscosité avec 0,1–0,3 % d'électrolyte ou 0,5 % de gomme xanthane si nécessaire. Effectuez une stabilité à 40 °C / 75 % HR pendant 4 semaines minimum.

Exemple détaillé 2 : dilution EC agrochimique

Un concentré émulsifiable contenant 50 % de matières actives dans un solvant aromatique doit se disperser dans l'eau dure à une dilution 1:500 sans crémage ni séparation d'huile.

• HLB système émulsifiant cible 10–12 pour le mélange solvant/actifs.
• Mélangez le dodécylbenzène sulfonate de calcium (hydrotrope/aide au mouillage) avec l'éthoxylate d'alcool C9–C11 (5 OE) à un ratio d'environ 1:1.
• Le pack émulsifiant total représente typiquement 8–15 % de la formule EC.
• Testez la stabilité de dilution CIPAC 36.1 à 0 °C, 20 °C et 54 °C avant l'enregistrement.

Voir également notre guide des concentrés émulsifiables pour les principes de formulation EC.

Exemple détaillé 3 : solubilisation de parfum

Pour solubiliser clairement 1 % d'huile de parfum dans un tonique aqueux sans trouble :

• Utilisez Polysorbate 20 (HLB ~16,7) à un ratio tensioactif/huile minimum de 3:1 — c'est-à-dire 3 % de PS 20 pour 1 % de parfum.
• Prémélangez le parfum avec le polysorbate avant d'ajouter à l'eau.
• Augmentez le ratio à 4:1 ou 5:1 pour les huiles terpéniques ou résineuses difficiles.
• Si la clarté est marginale, ajoutez 0,5–1 % d'éthanol comme co-solvant.

HLB pour les émulsions E/H

Les émulsions E/H nécessitent des émulsifiants à faible HLB dans la plage 3–6. Une formulation eau-dans-huile minérale peut utiliser l'oléate de sorbitan (HLB ~4,3) ou le monooléate de glycérol (HLB ~3,8) comme émulsifiant principal, éventuellement avec un éthoxylate d'alcool gras à faible OE comme co-émulsifiant. Le concept de HLB requis s'applique toujours mais cible le côté E/H de l'échelle.

Histoire et développement du concept de HLB

Le système HLB a été introduit en 1949 par William C. Griffin, chimiste travaillant chez Atlas Powder Company (plus tard absorbée par ICI Americas), qui avait besoin d'une méthode systématique pour classer le nombre croissant d'émulsifiants esters de sorbitane et polysorbates que la société commercialisait. L'article original de Griffin, publié dans le Journal of the Society of Cosmetic Chemists, proposait une méthode arithmétique simple : pour les esters d'acides gras, HLB = 20 × (1 − S/A), où S est l'indice de saponification de l'ester et A l'indice d'acide de l'acide gras. Pour les tensioactifs où la saponification n'est pas simple à déterminer, Griffin proposait une alternative basée sur le pourcentage massique de la portion hydrophile de la molécule divisé par cinq, plafonnant l'échelle pratique à 20.

En 1957, le chimiste australien Norman Davies a étendu le concept avec une méthode de contribution de groupes qui attribue des valeurs numériques à des groupes chimiques spécifiques — sulfate, carboxylate, oxygène d'éther, hydroxyle — et les additionne pour estimer le HLB directement à partir de la structure moléculaire. La méthode de Davies constituait une avancée majeure car elle pouvait s'appliquer aux tensioactifs ioniques que l'approche originale de Griffin basée sur la saponification ne traitait pas bien, élargissant l'utilité du HLB au-delà des esters non ioniques pour lesquels il avait été conçu à l'origine.

Une approche apparentée mais distincte est la méthode de la température d'inversion de phase (PIT) développée par Kozo Shinoda dans les années 1960. Plutôt que d'attribuer un chiffre fixe à un tensioactif, la PIT identifie la température à laquelle une émulsion H/E s'inverse en E/H lorsque l'hydrophilie de l'émulsifiant non ionique diminue avec la hausse de température. La formulation basée sur la PIT est largement utilisée aux côtés du HLB dans la conception d'émulsions cosmétiques et industrielles, en particulier pour les systèmes stabilisés par des non ioniques éthoxylés dont la solubilité dépend fortement de la température. Les formulateurs modernes combinent souvent le HLB pour la présélection initiale des émulsifiants avec la PIT ou des essais de stabilité directs pour l'optimisation finale, car aucun chiffre unique ne capture entièrement le comportement réel des émulsions.

Limites et conseils pratiques

Le HLB est un point de départ, pas une garantie de stabilité d'émulsion. Le comportement réel est également affecté par :

• Température — le point de trouble et la viscosité de l'émulsion changent avec la température ; une émulsion stable à température ambiante peut se séparer à 40 °C.
• Électrolytes — les sels compriment la double couche électrique et peuvent casser les émulsions H/E ou les inverser.
• pH — les émulsifiants ioniques changent d'état de charge ; les émulsifiants à base d'esters peuvent s'hydrolyser à des pH extrêmes.
• Co-tensioactifs et épaississants — les alcools gras, cires et polymères construisent la viscosité et la stabilité du réseau de gel au-delà de ce que le HLB seul prédit.
• Ratio volumique des phases — les émulsions à phase interne élevée nécessitent plus d'émulsifiant que les systèmes dilués.

Validez toujours par des essais de stabilité accélérée et des essais de performance spécifiques à l'application. Pour les systèmes complexes, le support technique Venus peut recommander des éthoxylates d'alcools gras, des polysorbates et des mélanges d'émulsifiants sur mesure. Lisez tensioactif vs émulsifiant pour le contexte sur l'applicabilité du HLB. Contactez Venus pour des échantillons et un accompagnement en correspondance HLB.